基于车流量动态配时的智能交通灯教学实验设备设计

吴劲 严予甫 张晶晶

【摘要】针对交通运输课程的教学实际，本文设计了一种基于车流量动态配时的智能交通灯教学实验设备，利用视频检测实时监控道路的车流量，通过单片机将车流量参数进行赋值处理，利用软件算法进行处理和模拟仿真，最后智能动态调节绿灯时间。本设计能够实现对实际交通运行状态的模拟并且设计出符合各个交叉路口的交通灯配时方案。

【关键词】教学实验设备设计；动态配时；视频检测

现有的交通灯大多是采用固定配时的方案，如当某个交叉路口东西方向为红灯且等待的车辆很多，而南北方向没有车辆通行，但还按照原先设定的固定配时方案执行，会造成这个交叉路口的交通拥堵，降低交通控制系统的运行效率，严重浪费交通资源以及造成环境污染。

如今的交通教学实验设备同样大部分是采用固定配时和分时段配时的控制方案，具有配时固定化的缺点，不利于高校对现代化交通工程专业应用型专业人才的培养。

本文的基于车流量动态配时的智能交通灯教学实验设备是以智能交通沙盘为模板，进行教学实验设备的研制与开发，旨在培养学生掌握现代交通灯的控制与优化技术，主要考虑以下几个方面：①随着智能交通技术的快速发展，要求在教学过程中融入更多智能交通的元素，培养学生具备智能交通设备的设计与优化能力；②视频检测技术作为如今较为重要的识别检测技术，如何将这门技术更加灵活地运用在实际生活中；③智能动态配时方案能够有效解决我国存在的交通拥堵问题，有利于节能减排，符合智慧城市的发展需求。

一、教学实验设备的硬件架构设计

1.1教学实验设备总体结构设计

基于车流量动态配时的智能交通灯教学实验设备的结构框图（如图1所示），主要包括视频检测交通流量模块、单片机和交通灯控制模块。视频检测交通流量模块包括有依次数据连接的视频摄像机、视频采集卡和图像处理设备，视频摄像机设置在道路上方，实时视频检测道路交通状况。视频采集卡获取视频摄像机检测道路交通流量的视频信号。图像处理设备通过一系列图像处理技术将交通图像转换成数字图像，单片机根据图像处理设备传输的道路交通流量的数字图像情况，利用软件算法进行处理和模拟仿真，实现智能动态控制计时显示器和交通灯的不同工作状态。

1.2视频检测交通流量模块设计

本教学实验设备的视频检测交通流量模块设计（如图2所示），该模块利用视频处理技术对交通流量进行检测分析。视频检测在面对光照条件、车辆阴影的影响，都能够精确检测数据，可以实现对道路的全天候检测控制。该模块能通过设置在道路上方的视频摄像机收集交通图像，利用视频采集卡以及图像处理设备智能动态实时分析输入的交通图像，通过在交通图像中虚拟划定一个或者多个检测区域。当运动目标车辆通过检测区域时，检测区域内的像素灰度值会发生明显的变化，通过检测区域的像素灰度值变化进行识别计数，获取所需要的交通流量数据。最后通过图像处理设备对视频图像进行图像的预处理、图像的代数运算、图像的阈值处理、二值图像的形态学处理以及车辆的分割得到实施的车流量参数。

其中图像的预处理是通过均值滤波、中值滤波以及winer滤波等方法有效降低采集图像过程中的噪声信息。图像的代数运算则是一种比较简单和有用的加强处理方法。图像的阈值分割可以去除图像背景的影响，从而得到有目标车辆信息的二值图像。二值图像的形态学处理的目的是为了进一步去除噪音的影响，凸显目标车辆的信息。最后的车辆分割能够准确地得到目标车辆的参数。收集到的交通图像通过这一系列的图像处理技术，便可以得到有效的车流量参数。根据车流量实时的改变，不断进行图像的背景更新，实现基于视频检测的智能动态配时方案。

1.3交通灯控制模块设计

本教学实验设备采用单片机、计时显示器、交通灯以及相应的单元电路设计了交通灯控制模块，该模块可以实时地接收车流量参数，通过单片机的单元电路设计，智能动态地控制计时显示器和交通灯来显示通行状态信息。交通灯控制模块设计的硬件组成如图3所示。

（1）单片机控制模块

单片机与图像处理设备进行数据连接，通过接收图像处理设备的数字图像信息，对交叉口的车流量大小进行统计，并执行对应的处理程序，以此实现智能动态配时的智能交通灯控制系统，达到根据目标道路的车流量大小智能实时控制交叉口的车辆通行情况的目的。

单片机编程简单，且具有运行速度快、可靠性高等优点。本教学实验设备上的交通灯控制模块采用单片机作为主控制器，是因为单片机的中断源能够对车流量执行定时中断检测；同时单片机具有充足的I/O口能够驱动计时显示器以及交通灯的显示；单片机的T0，T1口能够对外部输入的脉冲进行实时计数，这样便能够实现根据车流量参数来智能动态调整计时显示器以及交通灯的显示信息。

（2）计时显示器

本教学实验设备中的计时显示器采用数码管与点阵LED灯相结合的方法。数码管是一种可以显示数字和其他信息的半导体发光器件，其原理是通过对数码管不同的管脚输入相对的电流使其发亮，从而显示出数字。

考虑到实际教学情况以及方便学生观看计时过程，本教学实验设备将利用数码管与点阵LED灯相结合的方式显示计时器时间以及状态信息。

（3）交通灯

本教学实验设备中的交通灯具有分时段配时、手动配时、智能动态配时等多种工作方式，可根据设置不同的控制方案进行调控。在教学过程中，可以实现根据不同的时间段设置不同的配时方案以及根据车流量的大小实现对交通灯的实时调控。

（4）单元电路的设计与实现

①单片机检测车流量变量，当南北方向车流量大于50辆/分，东西方向车流量小于25辆/分。执行方案一：

南北方向亮绿灯，东西方向亮红灯，倒计时60秒后，紧接着南北方向亮黄灯5秒，东西方向亮红灯5秒；然后南北方向亮红灯，东西方向亮绿灯，倒计时30秒后，东西方向亮黄灯5秒，南北方向亮紅灯5秒之后，重新进行扫描。

②单片机检测车流量变量，当南北方向车流量大于100辆/分，东西方向车流量小于25辆/分。执行方案二：

南北方向亮绿灯，东西方向亮红灯，倒计时75秒后，紧接着南北方向亮黄灯5秒，东西方向亮红灯5秒；然后南北方向亮红灯，东西方向亮绿灯，倒计时15秒后，东西方向亮黄灯5秒，南北方向保持红灯5秒之后，重新进行扫描。

③单片机检测车流量变量，当南北方向车流量大于50辆/分，东西方向车流量大于50辆/分。执行方案三：

南北方向亮绿灯，东西方向亮红灯，倒计时60秒后，紧接着南北方向亮黄灯5秒，东西方向亮红灯5秒；然后南北方向亮红灯，东西方向亮绿灯，倒计时60秒后，东西方向亮黄灯5秒，南北方向保持红灯5秒之后，重新进行扫描。

【相关参数】

①交通流量：是指在某选定时间段内，通过道路某一选定的地点、某一车道或某一断面的交通实体数。

②参考时间：为了更精确地表示某路段的车流量，筛选出一个合适的的时间段作为参考值，即为参考时间。

③车流量：是指由单位时间内通过某路段的车辆为标准，在一定的时间内，某段道路点上所通过的车辆数。具体关系是：车流量=交通流量/参考时间（辆/分）。

二、教学实验设备的软件设计与实现

本教学实验设备的系统主要程序流程如图4所示。在系统软件进行初始化之后，首先要对所测的车流量参数进行赋初值，单片机判断车流量参数，并执行相应的方图4 系统主要程序流程图案，同时可以显示。采用指令冗余技术、软件陷阱技术、软件“看门狗”技术这几种有效的软件抗干扰方法，在单片机运行混乱时，可使程序重入正轨，及时捕获错误的中断，减少出错机率。除此之外，这样的抗干扰方法还能有效防止失控的程序进入“死循环”，稳定了整个系统的运行速率。

三、教学实验设备的仿真与调试

在实际教学过程中，将通过教学实验设备以及仿真软件进行混合教学。主要利用Proteus电路分析与仿真软件对该教学实验设备进行仿真与调试，验证车流量检测方案、系统软件以及设备硬件的实用性以及功能性。通过各种方案的选择以及仿真与调试，测出更多的数据从而得出详细的仿真研究报告。为完善该教学实验设备提供更多的技术方案。

根据实际教学需求，使用电脑仿真软件可以弥补教学实验设备不足的问题，硬件上可以利用学校现有的电脑机房，为学校节省可代替性的实验设备投资经费。利用仿真软件进行方案的仿真与调试同样可以满足教学需要。在实验过程中，每个学生可以根据自己的实际情况进行练习，可单独使用，不受时间和地点限制，能有效地增强实验教学效果，提高人才培养质量。

4总结

在现代城市中，由于现有的路口交通灯大部分采用通常固定配时和分时段配时的控制方案，具有配时固定化的缺点，容易导致车流少的通行方向绿灯无车通行或车流量多的通行方向绿灯时间短，造成交通拥堵，同时产生大量的汽车尾气污染，并导致能源浪费。

本文的基于车流量动态配时的智能交通灯教学实验设备是在广东技术师范学院高度重视交通运输专业实践教学条件的背景下研制开发的。该教学实验设备既可以用在单个路口实现独立的智能动态配时方案，也可以将多个路口组建为网络，实现某个区域或者某个城市的智能动态交通协调。同时，该教学实验设备的各模块采用了全新的设计方案，能够根据实际交叉路口的车流量情况，达到交叉路口交通灯智能动态配时方案的目的。該教学实验设备有利于教师根据智能交通技术的发展对学生进行深一层的教学与实践，视频检测车流量的技术的引入也将进一步深化学生对于智慧交通城市的概念以及了解智能交通对于今后社会建设的重要性，有利于培养学生的创新思维和创新实践能力，提高交通运输专业应用型人才的培养质量。

参考文献

[1]田径.基于车流量的交叉口信号灯控制系统研究[D].西安：长安大学，2012.

[2]沙跃兵.水污染源在线监测仪远程计量检定系统研制[D].浙江：浙江工业大学，2014.

[3]杨生虎.中职学校数控专业有效教学模式探讨[D].浙江：浙江工业大学，2011.